原创 (多图) 半导体器件的电气过应力和静电放电故障——第三部分

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 氧化物或电介质击穿 氧化物击穿可分为软击穿或硬击穿。软击穿是指电介质上的高电阻电流路径，而硬击穿是指电解质层上的高传导性路径。在氧化物软击穿中，器件仍能良好工作，晶体管性能不会发生很大变化。这时会发现漏电情况比正常器件略高，但仍可能在数据表限制范围以内。在氧化物硬击穿中，器件无法工作，从栅极到通道形成电流路径，晶体管被破坏。栅氧化层损坏是ESD事件中最常见的。栅氧化层击穿取决于氧化物的厚度、偏置电压、氧化物材料的击穿电压、氧化物膜的均匀度和粗糙度等。如氧化物膜有尖锐边缘，那么感应电场会高度集中在边缘上，很可能被击穿。假设氧化物层厚度为100A⁰而氧化物层上的电压为3.3V，那么氧化物层上的平均电场计算如下：E=V/T_ox

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图8：电场和氧化物厚度

图9：（a）ESD脉冲前的栅氧化层、（b）受到破坏的氧化物形成的细丝和（c）V>VB电介质短路等原理图

氧化物击穿有以下机制：氧化物层上的电压超过氧化物（电介质）的击穿电压（V>V_B），这样栅氧化层会被击穿，氧化物层上形成较低电阻或传导路径。由于电流流过路径的电阻减小（氧化物或电介质击穿），会出现电介质的局部升温。由于局部温度较高，传导位置熔化，形成细丝，进而导致电介质上的金属层短路，如图9所示。氧化物击穿是CDM的主要击穿机制。

图10：栅氧化层破裂

图10给出了ESD-CDM事件中出现氧化物破裂的情况。在故障部件中，测试台没有观察到输出。在电隔离情况下，振荡器电路的参考输入引脚处观察到高漏电。振荡器模块的参考输入引脚电容处也检测到热点。图11显示了没有观察到输出的晶体振荡器的ESD损坏情况。测试台（I-V曲线跟踪）显示OE（输出启用）引脚处有4.3mA的漏电。故障点隔离用Hamamatsu emission/OBIRCH显微镜检查实现，将问题局部化。在故障引脚的输入电路上检测到热点。随后采用等离子/化学蚀刻进行物理分析发现emission microcopy识别的热点区域存在引脚孔。

图11：I-V曲线跟踪、热点和引脚孔的图示

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图12：接触损坏的SEM图

ESD脉冲作为一个电流源。当ESD脉冲突然施加到芯片上时，会加热不均匀。局部区域在绝热条件下加热，较高电流提升结点温度，并超过芯片的熔点，从而造成结点熔化。图12显示ESD造成的接触损坏。ESD产生的能耗引起接触毛刺或结点损坏，其计算如下：在绝热条件下，ESD事件产生的能量等于结点吸收的能量：Q₁=Q₂ 其中，

假设Q1=Q2

C_sp=具体热容量，ρ=密度，T₀=初始温度如果T≥T_m（熔点），那么就会出现结点熔化。 Wunsch & Bell模型采用以下热扩散方程式，这是描述结点击穿的最常用模型。在此模型中，结点击穿现象由脉冲宽度和器件施加的功率密度决定。

其中，P=以瓦特为单位的故障功耗，A=以平方厘米为单位的面积，C_p=以J/gcm-K为单位的热容量，ρ=以g/cm³为单位的密度，κ=以W/cm-K为单位的热传导，t=矩形脉冲宽度，T_m=结点熔化温度，而T₀=初始温度。以上方程式说明了温度、ESD脉冲电压、故障功率和材料熔点之间的关系。 参考文献 1、静电放电：了解、仿真和解决ESD问题，M. Mardiguian，Wiley出版。 2、步行充电，Compliance Engineering杂志，2011年3月/4月刊，Niels Jonassen。 3、静电放电（ESD）教程，Ata Khan编写的白皮书，赛普拉斯半导体公司，www.cypress.com/?docID=35736 4、面向高级CMOS技术的ESD保护电路，Jung-Hoon Chun，2006年。 5、静电放电保护，Fei Yuan，加拿大瑞尔森大学，2012年。 6、电气测试造成的器件损坏调查，Rosa Croughwell和John McNeill，伍斯特理工学院。 7、半导体器件的静电放电概述，James E. Vinson和Juin J. Liou，1997年。 8、高速混合信号电路的静电放电保护电路，Hossein Sarbishaei，2007年。 9、www.esda.org/documents/FundamentalsPart1.pdf 10、www.analog.com/static/imported.../eos_esd_chapter_091400b_103.pdf 11、超薄电介质膜在静电放电应力下的击穿电压，Hao Jin等，《应用物理》杂志，110，054516（2011年）。 12、非芯片器件的静电放电和电气过应力故障，Yu-Chul Hwang，2004年。 13、电气过应力，www.cypress.com/?docID=20619

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